畢業設計-基于plc的四層電梯控制系統的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 信號會被記憶，同時 點亮相應的 樓層 指示燈。外呼信號是指等在轎廂外的乘 客按下轎廂外 的上行或者下行 的樓層 指示按鈕。乘客的呼叫請求會顯示在 樓層 指示燈上，只有當乘客到達所要去的樓層 之 后 才 會 自動 消失數據。 （ 3）乘客上升和下降的呼叫請求 電梯 轎廂 的上行或者下行是根據乘客的呼叫請求而定的，通常 電梯 轎廂會滿足乘客先上后下的呼 叫請求。 在電梯上升的過程中， 電梯轎廂 只 能滿足向上乘客的呼叫請求，不能滿足先下乘客的呼叫請求，同理，在電梯 轎廂 下降的過程中， 電梯轎廂 只能滿足向下乘客的呼叫請求，不能滿足向上乘客的呼叫請求。 當轎廂送完最遠 樓層 的乘客后，才會反向再去響應 其他 樓層向下 乘客的呼叫請求。 （ 4）轎廂的啟動與停車 轎廂應在啟動之后才能開始運行，運行過程中可能出現故障等一系列問題，所以應該有手動停車的功能。 （ 5）安全保護 電梯的安全保護很重要，這是為維修人員及乘客的安全所著想， 因此本設計中增加了啟動按鈕、 故障按鈕 和停止按鈕 。 總之，電梯的控制 技術 是比較復雜的，最早我國是用繼電 器控制電梯，而隨著科技的發展，逐漸用可編程 邏輯 控制器來取代繼電器控制電梯 運行 [7]。采用可編程 邏輯 控制器控制電梯 ， 使電梯更加穩定可靠。 如圖 所設計的是四層電梯轎廂運行組態圖，為了滿足乘客的方便，安裝了樓層指示燈 ： 按鈕 按鈕 按鈕 按鈕 4 表示的是樓層號。在轎廂 外等候的乘客可以按下按鈕上或者按鈕下來呼叫電梯。電梯轎廂上升或者下降時 ， 會對來自乘客的 各種呼沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 8 叫請求進行 綜合地分析和處理，然后 來確定所要達到的樓層。因此， 電梯轎廂自身會選擇所要運行的方向，而且同向的乘客可以一起乘坐，到達每一樓層都會顯示該樓層號 ，到達后會自動消號，只顯示停在該樓層的 樓層 號。電梯到達乘客所要達到的樓層后會自動 停止運行（電梯轎廂開門和關門 定時為 2 秒）。 圖 四層電梯 過程工藝圖 假設電梯轎廂 停 在最底層，當有轎廂 外的乘客有呼叫請求時，電梯轎廂會響應 該樓層乘客的呼叫請求，到達 該樓層 后，電梯轎廂 會 自動停止 運行 并開門和關門（定時為 2秒）。在電梯 轎廂 上升的過程中，只能滿足向上乘客的呼叫請求，不能滿足先下乘客的呼叫請求，同理，在電梯 轎廂 下降的過程中，只能滿足向下乘客的呼叫請求，不能滿足向上乘客的呼叫請求。假如在電梯 轎廂運行的過程中 ， 電梯轎 廂運行反方 前方沒有其他乘客的呼叫請求 信號時 ，那么 電梯轎廂此時會響應 該 樓層乘客的 呼叫請求 信號 。 硬件連接 本設計系統所采用的是歐姆龍 CPM1A 系列型號的 PLC，該系列型號的 PLC 主機上只有 20 輸入和輸出，分別為 12 點輸入和 8 點輸出。因此還需要用到相應的擴展模塊上的輸入和輸出點。 該設計 主要 采用上位機和下位機組成自動控制環節。上位機 主要是 負責對該控制系沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 9 統的工作運行的狀況進行監視，下位機能直接控制電梯轎廂的工作運行，其中上位機與PLC 之間的 通信是通過 COM 端口用 RS232 相連接的 [8]。首先 要 將 PLC 接入 220V 的交流電源上，然后 再 將啟動、停止各個開關通過 24V 直流電源連接到 PLC 的輸入端口上（系統硬件接線圖見圖 所示）。 圖 PLC 硬件連線圖 器件選用 該設計采用兩級控制模式分別為工控機作為上位機， PLC 系統作為下位機。其中工控機作為監控機械手的運行狀態來使用， PLC 控制系統是該控制系統的核心。 1）上位機 工控機作為上位機，其功能主要是 用來 完成狀態的顯示、打印輸出、并且向 PLC傳遞各種分類控制信號，同時進行圖像處理等功能，從而實現了對該控制系統的實時監控的目的。 2）下位機 狀態的判別和輸出控制等工作是由 PLC 下位機來實現的。下位機能直接控制電磁閥和繼電器，來實現對各個執行元件的控制。本系統采用價格適中、可靠性高、維護方便且抗干擾能力強的可編程 邏輯 控制器歐姆龍 CPM1A 型 號系列的 PLC 來實現四層電沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 10 梯 控制 工藝的控制要求的。電源、中央處理器和 I/O 元件是歐姆龍 PLC 必備的器件。歐姆龍 PLC 是一個嚴密高速的程序控制器，該編程軟件 不僅 易于用戶編程， 而且 其內配有豐富的指令系統、豐富的特殊模塊和通信能力。該軟件也能滿足生產自動化的多級要求。本設計系統采用歐姆龍 CPMA1 型號的 PLC 是一種功 能完善且緊湊型的 PLC，其內有大程序容量和存儲單位。另外 CPU 單元自帶 RS232C 接口，具有點到點接口、多點接口等通信協議 ， 能實現程序的傳遞，數據通信等功能。 歐姆龍 CPM1A 型系列 PLC 有 20 點輸入和輸出，分別為 12 點輸入和 8 點輸出，配有 CXProgrammer 軟件用于控制部分編程時使用。 3）通信方式 CPM1A CPU 支持點到點接口、多點接口。這些都是系統內部通信的結構模型，并且是異步、基于字符的協議。其中的點到點通信方式是非常簡單方便的通信協議，用一根 RS232C 數據線進行數據信號的傳送，不用 再另外再配置模塊和軟件。因此，本系統選擇點到點的通信方式，簡單而且能滿足通信的要求。歐姆龍 CPM1A 型號的 PLC上配有 RS232C 的通信接口，所以在不增加其他硬件的情況下，可以很方便地將計算機和歐姆龍 PLC 互聯。 通過 RS232 使上位機和下位機連接構成 HOST LINK 協議進行通信 [9]。 RS232 是歐姆龍 PLC 最通用的一種串行通信標準，并且是點到點的通信方式，只能連接兩個通訊設備。當波特率為 19200 時，最大距離為 75 米，當波特率為 9600 時，最大距離為900 米。計算機的串口是標準的 RS232 接口 [10]。使用 RS232 轉換器能減少一個 RS422串行接口板。系統結構如圖 所示。 圖 系統結構 沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 11 2 控制系統 PLC 軟件設計 PLC 是通過程序對系統實現控制的。因此在一定程度上能反映出該種機型其指令系統控制功能的強弱。本設計采用歐姆龍 CPM1A 系列的 PLC，雖然該系列 PLC 屬于小機型，但卻有非常豐富的指令系統 [11]。 CPM1A 系列 PLC 的 基本指令 14 種 ，應用指令有 79 種、 139 種 。 梯形圖、語句表、邏輯功能圖、邏輯方程式等都是 PLC 中常見的編程語言，而最常用的就是梯形圖。歐姆龍 CPM1A 型號的 PLC 采用的是梯形圖編程語言，該語言不僅簡單容易掌握，而且也很直觀的可以看到程序的執行結果。梯形圖語言邏輯性比 C語言和匯編語言都強，而且指令簡單易懂，讓人很容易記住。 歐姆龍 PLC 控制程序用 CXProgrammer 編程軟件開發。 CXProgrammer 是歐姆龍公司 PLC 的軟件編程﹑調試的工具程序，其運行在 Windows 操作系統下，具有非常豐富、簡捷的操作環境和強大的編程、調試功能 [12]。可實 現梯形圖的編程、監視和控制以及隨時更改程序等功能，可以進行大量程序的編寫工作 。 CXProgrammer 編程軟件支持模塊化設計，可以通過 RS232C 將編寫好的程序傳送到 PLC 上來控制現場 的設備。電梯控制程序正常工作時程序存放在存儲卡中， 假如要修改原程序，需要先將 PLC 設定在停止的狀態下，上位機與下位機是通過標準的 RS232 進行串口通信的， 運行CXProgrammer 編程軟件，打開電梯控制程序，即可在線調試，也可以用編程器對該控制系統進行調試。 本設計采用歐姆龍 CPM1A 系列 PLC，其主要功能有豐富的指令系統、模擬設定電位器功能、輸入時間常數設定功能、高速計數器功能、外部輸入中斷功能、脈沖輸出功能等等。 CPM1A 系列 PLC 的主機按 I/O 點數分有 10 點， 20 點， 30 點， 40 點四種；按使用電源類型分，有 AC 型和 DC 型兩種；按輸出方式分，有繼電器輸出型和晶體管輸出型兩種 [13] [14]。 系統流程圖 電梯 的智能化控制，分為自動和手動兩種控制方式。 在自動狀態下，當系統通電后，轎廂 得電，當按下按鈕后，轎廂 會自動開啟 運行 。 在系 統有特殊要求時。只要系統處于得電狀態，就能手動的控制轎廂的運行、停止、報警等 ，既節能又方便。流程圖見 所示。 沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 12 圖 流程圖 沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 13 系統 I/O 地址分配 本 設計 系統需使用 14 個輸入點， 12 個輸出點來對系統的各個運行狀態進行輸出指示。具體分配表見表 表 系統輸入 /輸出 I/O 地址分配表 輸入 功能 輸出 功能 00000 開始按鈕 01000 開始燈 00001 啟動按鈕 01001 啟動燈 00002 一樓上按鈕 01002 轎廂上升燈 00003 二樓上按鈕 01003 轎廂下降燈 00004 三樓上按鈕 01004 電梯一層燈 00005 四樓下按鈕 01005 電梯二層燈 00006 三樓下按鈕 01006 電梯三層燈 00007 二樓下按鈕 01007 電梯四層燈 00008 轎廂內按下一樓 01102 開門 00009 轎廂內按下二樓 01103 關門 00010 轎廂內按下三樓 01100 故障燈 00011 轎廂內按下四樓 01101 停止燈 00012 故障 00013 停止 系 統程序的具體分析 PLC 的基本工作如下 : （ 1） 輸入現場信息 :在系統軟件的控制下，順次掃描各輸入點的狀態 。 （ 2） 執行程序 :順次掃描用戶程序中的 指令，根據輸入狀態和指令內容進行邏輯運算 。 （ 3） 輸出控制信號 :根據邏輯運算的結果，輸出狀態寄存器向各輸出點并行發出相應的控制信號，實現所要求的邏輯控制功能。 PLC 的掃描周期通常為幾十毫秒。 歐姆龍 PLC 采用循環掃描的的工作方式，這種工作方式是在系統軟件控制下，順次掃描各輸入點的狀態，按 照 用戶程序 來 進行運算 和 處理，然后 依次 向各輸出點發出相應的控制信號， 而且在 任一時刻 它只能執行一條指令，這就是說 PLC 是以 ―串行 ‖方式沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 14 工作的，它能 非常 有效地避免繼電接觸器控制系統中 所容 易出現的觸點競爭和時序失配等 問題。 PLC 執行用戶程序 時 是從梯形圖 的 左母線開始由上至下， 然后 由左向右逐個掃描 各個 梯級的每個元素，進行運算，此時 CPU 只是與映象區進行數據交換，讀取輸入數據，送出輸出信號。當 CPU 執行到 END 指令時，表示程序段結束，則此次掃描用戶程序結束。 （ 1） 開始啟動過程 若 常開觸點 導通， 表示開始啟動， 則內部繼電器 線圈 導通 后 ，并一直保持 著 該狀態 ，表示系統啟動，同時輸出 線圈 導通，表示 該 系統開始 運行 。 若 常開觸點 導通后輸入 觸點 導通，則內部繼電器 線圈 導通后并一直保持 著 該狀態 ，表示用戶按下按鈕成功 ，同時輸出 線圈 導通，表示用戶按下按鈕 成功，能夠啟動 該系統 。 用戶成功按下按鈕 后，若 常閉觸點 導通，則內部繼電器 線圈 導通并一直保持 著 該狀態 ，表示系統啟動，所有的自保持點只有在故障，停止，復位及設備上電時（ F_Fist_Cycle 導通）復位。 （ 2） 一樓上升 若啟動標志為 1，若常開觸點 導通，則內部繼電器 線圈 導通后并一直保持著該狀態 ，在導通的上升沿，內部繼電器 線圈 導通并一直保持著該導通狀態 ，表示一樓上升按鈕按下。 沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 15 （ 3） 二樓上升 若啟動標志為 1，若常開觸點 導通，則內部繼電器 線圈 導通并一直保持著導通的狀態 ，在導通的上升沿，內部繼電器 線圈 導通并一直 保持 著導通的狀態 ，表示二樓上升按鈕按下。 （ 4） 二樓下降 若啟動標志為 1，若常開觸點 導通，則內部繼電器 線圈 導通一直保持著導通的狀態 ，在導通的上升沿，內部繼電器 線圈 導通并保持著導通的 狀態 ，表示二樓下降升按鈕按下。 沈陽理工大學應用技術學院學士學位論文 16 （ 5） 電梯上升下降判斷 若一樓 乘客有 上升按鈕按下，或者二樓 有 乘客 上升按鈕按下，或者三樓 有 乘客 上升按鈕按下，則內部繼電器 線圈 導通，表示有乘客按下上升按鈕 。 若四樓有乘客按下下降按鈕，或者三樓有乘客按下下降按鈕 ，或者二樓 有乘客按下下降按鈕 ，則內部繼電器 線圈 導通，表示有乘客按下下降按鈕 。 若有上升按鈕按下，內部繼電器 線圈 導通，并保持著導通的狀態，表示電梯 上升開始。 沈陽